循環(huán)冷卻水的化學(xué)水處理

       雖然目前化學(xué)處理方式是行之有效的水處理方案，但隨著對環(huán)境保護(hù)的重視，對一些毒性較大，或本身雖屬于無毒或低毒，但會造成水體富營養(yǎng)化而被列為第二類污染物的一些化學(xué)水處理藥劑的使用或排放已有很嚴(yán)格的要求，如鉻酸鹽及其復(fù)合冷卻水緩蝕劑、磷酸鹽類的緩蝕劑和水處理劑等等，這就要求我們需要開發(fā)無毒或低毒、低磷和非磷的水處理劑；而操作簡便、管理方便及對環(huán)境沒有污染的物理水處理方法及水處理在線檢測、監(jiān)控技術(shù)也是今后大力發(fā)展的方向。

       一、循環(huán)水的使用及水處理的重要性

       用水來冷卻工藝介質(zhì)的系統(tǒng)，我們稱作冷卻水系統(tǒng)，通常可分為以下兩種類型：直流冷卻水系統(tǒng)和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。其中，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)目前已被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)之中，比如，石油化工、電力、冶金、醫(yī)藥、紡織、機(jī)械、電子等等傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)中的工藝用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，及各樓宇的中央空調(diào)用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

       早使用的是直流冷卻水系統(tǒng)，冷卻水僅僅通過換熱設(shè)備一次，用過后水就被排放掉。這種系統(tǒng)雖然投資少、操作簡便，但它的用水量卻很大，冷卻水的操作費用也大，不符合節(jié)約使用水資源的要求，目前基本都改成了循環(huán)冷卻水系統(tǒng)（除了海水中還在使用的直流冷卻水系統(tǒng)），即冷卻水用過后不立即排放掉，而是收回循環(huán)再用。從直流水系統(tǒng)到循環(huán)水系統(tǒng)，水資源的節(jié)約非常可觀，例如：一個年產(chǎn)30萬噸的合成氨工廠，如采用直流水系統(tǒng)，每小時用水量約25000T，而改成循環(huán)水系統(tǒng)，并以3倍的濃縮倍數(shù)運行，則每小時耗水量只需約550T。

       二、冷卻水循環(huán)后遇到什么問題？

       腐蝕：冷卻水在循環(huán)使用中，水在冷卻塔內(nèi)和空氣充分接觸，使水中的溶解氧得到補(bǔ)充,所以循環(huán)水中溶解氧總是飽和的,水中溶解氧是造成金屬電化學(xué)腐蝕的主要原因,這是冷卻水循環(huán)后易帶來的問題之一。

       結(jié)垢：水在運行中蒸發(fā)（尤其是在冷卻塔的環(huán)境中），使循環(huán)水中含鹽量逐漸增加，加上水中二氧化碳在塔中解析逸散，使水中碳酸鈣或其它鹽類在傳熱面上結(jié)垢析出的傾向增加，這是問題之二。

        生物污垢：冷卻水和空氣接觸，吸收了空氣中大量的灰塵、泥沙、微生物及其孢子，使系統(tǒng)的污泥增加；冷卻塔內(nèi)的光照、適宜的溫度、充足的氧和養(yǎng)分都有利于細(xì)菌和藻類的生長，從而使系統(tǒng)粘泥增加，在換熱器內(nèi)沉積下來，造成了粘泥的危害，這是水循環(huán)使用后易帶來的問題之三。

       冷卻水循環(huán)后，冷卻水補(bǔ)充水量可大幅度降低，節(jié)約了用水，這是我們所希望的。但水循環(huán)后突出的腐蝕、結(jié)垢和生物污垢等問題如不解決，生產(chǎn)裝置的長周期、滿負(fù)荷、安全穩(wěn)定運行是難以保證的，那么采用循環(huán)水后所期望的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)效益不僅不能充分發(fā)揮，而且將給企業(yè)帶來許多危害——嚴(yán)重的沉積物的附著、設(shè)備腐蝕和微生物的大量滋生，由此形成的黏泥污垢堵塞管道或各種材料及設(shè)備嚴(yán)重受損等問題，會威脅和破壞工廠的安全生產(chǎn)；而由于各種沉積物使換熱設(shè)備的水流阻力加大，水泵及相關(guān)設(shè)備的能耗大幅增加，傳熱效率降低，從而降低產(chǎn)品品質(zhì)或生產(chǎn)效率，這一切都可能造成極大的經(jīng)濟(jì)損失，例如：電廠出現(xiàn)此類問題，必然使凝汽器凝結(jié)水的溫度升高、真空度下降，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)的出力和電廠的發(fā)電量，并且大幅增加能耗（有一個經(jīng)驗數(shù)值：發(fā)電機(jī)組真空度每下降1%，多耗燃料原油0.8%）。

       所以，必須要選擇一種科學(xué)合理、全面有效且經(jīng)濟(jì)實用的循環(huán)冷卻水處理方案，使上述問題得到妥善解決或改善，水處理就是通過水質(zhì)處理的辦法來解決以上問題。如能真正做好水處理，不但能保證保質(zhì)保量、安全生產(chǎn)，而且還能通過大幅降低能耗、節(jié)約材料、節(jié)約用水來降低生產(chǎn)成本，直接創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益，例如在電廠，就可以提高汽輪機(jī)凝汽器的真空度，一般可提高7～8％，提高汽輪機(jī)的功率，提高電負(fù)荷5～6％，增加發(fā)電能力；如應(yīng)用在低壓鍋爐爐內(nèi)處理，不但可將水處理運行費用從僅使用爐外處理方式時的0.5元/噸降到0.3元/噸左右，而且據(jù)統(tǒng)計，可使每臺2t•h-1的鍋爐節(jié)煤約5%；現(xiàn)代工業(yè)一般水冷換熱器在未進(jìn)行水處理時的壽命為2年左右，經(jīng)水處理后的壽命可達(dá)7~8年，檢修費和檢修工作量可降低90%，一個小型化工廠由此節(jié)約的檢修費即可達(dá)50萬元。

       三、循環(huán)冷卻水的化學(xué)水處理方案

       循環(huán)冷卻水的化學(xué)水處理就是通過在水中投加各種化學(xué)水處理藥劑而達(dá)到解決或緩解沉積物附著、金屬設(shè)備腐蝕和微生物滋生這三個問題，完整的技術(shù)過程應(yīng)是針對循環(huán)水系統(tǒng)的水質(zhì)、設(shè)備材質(zhì)、工況條件選擇緩蝕劑、阻垢劑、分散劑、殺生劑正確匹配組成水處理配方，并提出工藝控制條件、提供相應(yīng)的清洗、預(yù)膜方案等，其中將緩蝕劑、阻垢劑、分散劑等組成配方、確定適宜的工藝控制條件，指導(dǎo)開車，提供技術(shù)服務(wù)，這是冷卻水處理技術(shù)的主要內(nèi)容。

       循環(huán)水系統(tǒng)中的沉積物主要是水垢和污垢（淤泥、腐蝕產(chǎn)物及生物沉積物），天然水中溶解的各種鹽類因受熱等各種原因從水中析出，我們稱之為水垢，有如：碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽、氯化物、硅酸鹽等等，以鈣鹽為多。在化學(xué)水處理中使用阻垢劑時，不同的藥劑對不同的垢起的作用差異很大；而水源不同（江河湖水、地下水、市政供水等等），水質(zhì)差別也會很大（同一水源，不同季節(jié)，水質(zhì)也會有差異），所以，必須先通過全面的分析，確定水中鹽類的主要成分，即主要成垢物質(zhì)，再選用合適的阻垢劑。

       水中金屬的腐蝕主要是有氧的電化學(xué)腐蝕，而化學(xué)水處理方法就是通過在水中投加緩蝕劑（以鈍化膜、沉淀膜及吸附膜等等形式）覆蓋于金屬表面，起到減緩腐蝕的作用。所以，我們就得先了解系統(tǒng)中金屬的種類，結(jié)合水質(zhì)條件及運行參數(shù)，選擇緩蝕劑，并確定處理方案。

       在冷卻水中會引起故障的微生物主要是細(xì)菌、真菌及藻類，如鐵細(xì)菌、硫酸鹽還原菌、硝化細(xì)菌及硫桿菌等等，它們有的會直接腐蝕各種金屬或非金屬，有的則會粘附其它雜質(zhì)沉積附著，危害極大。得先確定系統(tǒng)中主要存在的微生物的種類及數(shù)量，結(jié)合水質(zhì)的情況和運行的狀況，選擇針對性的殺菌滅藻劑，制定有效的殺菌滅藻實施方案。

       總而言之，水處理在進(jìn)入具體實施之前，先得通過各項分析，全面了解系統(tǒng)及水質(zhì)的情況，有時對補(bǔ)充水可以用穩(wěn)定指數(shù)、飽和指數(shù)等作腐蝕型或結(jié)垢型水質(zhì)的預(yù)判，再通過實驗，針對性地選擇合適的緩蝕劑、阻垢劑及殺菌滅藻劑，并正確匹配組成的水處理配方。

       在具體的水處理應(yīng)用過程中，對于緩蝕、阻垢及殺菌需要作整體考慮，而往往緩蝕及阻垢劑也是復(fù)配使用的，有時，是一種水處理藥劑兼具緩蝕及阻垢的功能，選擇復(fù)合緩蝕、阻垢劑及殺菌劑組成配方并制定處理方案時，要全面考慮兼容性，突出“協(xié)同效應(yīng)”，需要考慮以下的一些因素：

      （1）是否適用于該冷卻水系統(tǒng)運行的pH值范圍；

      （2）能否使冷卻水的濃縮倍數(shù)達(dá)到設(shè)計要求；

      （3）運行的費用和用戶的經(jīng)濟(jì)條件，這里不僅要考慮水處理劑的費用，而且還要考慮原水預(yù)處理和排污處理的費用以及對工藝生產(chǎn)帶來的影響；

      （4）復(fù)合水處理劑或其中各組成藥劑的供應(yīng)來源；

      （5）操作管理是否方便；

      （6）當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門的規(guī)定和對周圍環(huán)境的污染；

      （7）工藝生產(chǎn)發(fā)生事故時，泄漏的物料對水處理劑作用的干擾；

      （8）水處理劑中的緩蝕劑、阻垢劑和配用的殺生劑的相容性；

      （9）使用的換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)以及預(yù)膜、涂料的處理情況。

       日常運行中，還得考慮根據(jù)各種變化作相應(yīng)的調(diào)整。

       水處理的具體實施應(yīng)按如下步驟進(jìn)行：

       如果需要，應(yīng)該首先進(jìn)行冷卻用水的預(yù)處理；其次，是對系統(tǒng)的表面處理（清洗、預(yù)膜）；后，再進(jìn)行日常的緩蝕、阻垢及殺菌處理。

       01補(bǔ)充水的預(yù)處理

       由于地表天然水中混入的懸浮物、膠體物構(gòu)成水的濁度，濁度太高則不能直接供冷卻水使用。通常用混凝沉降、過濾等方法去除（離子交換也是預(yù)處理的一類）；有些地區(qū)的地下水含鐵量或水中的硬、堿度過高，也需要通過預(yù)處理手段先降下來一部分，否則，冷卻水使用過程中正常的水處理藥劑將達(dá)不到理想的效果。

      02系統(tǒng)的表面處理

       在進(jìn)行日常緩蝕、阻垢及殺菌處理之前，先得對系統(tǒng)作表面處理，目的是清除金屬表面的沉積物，預(yù)膜保護(hù)后，再投加日常水處理藥劑。表面處理過程需注意幾點：

      （1）根據(jù)沉積物質(zhì)的成份選擇合適的清洗藥劑，保證安全、；

      （2）嚴(yán)格按技術(shù)要求完成整個操作流程，根據(jù)技術(shù)參數(shù)確定清洗終點（如：鐵離子含量曲線、濁度曲線、電導(dǎo)率曲線等等），保證有效、經(jīng)濟(jì)；

      （3）新系統(tǒng)投用之前，也需進(jìn)行表面處理。對于新系統(tǒng)而言，正常投用前的沖洗只能清除安裝過程中在系統(tǒng)內(nèi)的碎屑、雜物和塵土，但清除不了設(shè)備和管道在生產(chǎn)及安裝中生成的表面氧化皮和油污，而這些會影響預(yù)膜處理的效果，所以，要采取更為*的表面處理。

      （4）循環(huán)水系統(tǒng)的預(yù)膜是為了提高緩蝕劑的成膜效果，常在循環(huán)水開車初期投加較高的緩蝕劑量，待成膜后，再降低藥劑濃度維持補(bǔ)膜，即所謂的正常處理。這種預(yù)膜處理，其目的是希望在金屬表面上能很快地形成一層保護(hù)膜，提高緩蝕劑抑制腐蝕的效果。實踐也證明在同一個系統(tǒng)中，經(jīng)過預(yù)膜和未經(jīng)預(yù)膜的設(shè)備，在用同樣的緩蝕劑情況下，其緩蝕效果卻相差很大。循環(huán)水系統(tǒng)除了在開車時必須要進(jìn)行預(yù)膜外，在發(fā)生以下情況時也需進(jìn)行重新預(yù)膜：

      年度大檢修，系統(tǒng)停水后

      系統(tǒng)進(jìn)行酸洗之后

      停水40h或換熱設(shè)備暴露在空氣中12h

      循環(huán)水系統(tǒng)pH＜4達(dá)2h。

      03日常水質(zhì)處理

       經(jīng)過預(yù)處理的水將直接作為冷卻水的補(bǔ)充用水，在對系統(tǒng)進(jìn)行了表面處理后，則依據(jù)通過全面分析及實驗篩選出的緩蝕、阻垢及殺菌處理的方案投加藥劑，進(jìn)入了對水質(zhì)的日常控制處理階段。

       系統(tǒng)在日常的運行中，補(bǔ)充水的水質(zhì)可能會隨季節(jié)有所變化，系統(tǒng)的運行參數(shù)也有可能會有調(diào)整，則需要隨時監(jiān)控水質(zhì)和處理效果，并根據(jù)運行參數(shù)、補(bǔ)充水質(zhì)的變化作水處理方案的相應(yīng)調(diào)整，以確保穩(wěn)定的優(yōu)化效果，調(diào)整方向包括，藥劑種類、投加濃度、組成配方的比例及投加方式等等。

       而在監(jiān)控水處理效果的方法中，水質(zhì)分析一般只作為調(diào)整處理方案的依據(jù)，水處理的績效的檢測應(yīng)采用更直觀、更準(zhǔn)確的方法——腐蝕及熱交換效率的測試，即以掛片法或用在線腐蝕測試儀測定循環(huán)水系統(tǒng)中各金屬的腐蝕速率或瞬間腐蝕速度；用污垢熱阻在線測試儀測定熱交換效率和監(jiān)測換熱器等等。

       國標(biāo)或部標(biāo)都相應(yīng)對冷卻水系統(tǒng)中抑制材料腐蝕及沉積物附著有明確的規(guī)定，對作為間接反映系統(tǒng)運行狀態(tài)的水質(zhì)中各項數(shù)據(jù)也有明確的標(biāo)準(zhǔn)。

       綜上所述，科學(xué)、合理和優(yōu)性價比的水處理工藝程序是根據(jù)您目標(biāo)系統(tǒng)的運行參數(shù)、設(shè)備材質(zhì)、工況條件、水質(zhì)條件，通過分析及實驗來選擇合適的水處理單體及確定單體間的配比組成配方，并采取正確的操作流程和確定適宜的工藝控制條件。運行過程中還須隨時通過分析及實驗，調(diào)整藥劑單體、配方比例及投加劑量，以適應(yīng)由于氣候、環(huán)境介質(zhì)、補(bǔ)充水水質(zhì)及運行參數(shù)等各方面因素的變化引起的循環(huán)水質(zhì)的變化，達(dá)到處理效果優(yōu)化。

       四、緩解腐蝕的方法

       前面討論了用化學(xué)水處理方式綜合解決循環(huán)水系統(tǒng)中沉積物附著、設(shè)備腐蝕及微生物滋長等運行障礙的方案。在理論上和實踐過程中，除了化學(xué)水處理方式外，還可以運用其它的一些方法去抑制沉積物的析出、緩解金屬的腐蝕及控制微生物引起的腐蝕、黏泥及其生長，例舉如下：

       1.控制水垢析出的方法，除了投加阻垢劑外，大致還有以下幾類：

      （1）使用離子交換樹脂法或石灰軟化法等從冷卻水中除去成垢的鈣離子的方法；

      （2）加酸或通CO2氣，降低pH值，穩(wěn)定重碳酸鹽的方法；

      （3）使用靜電阻垢儀器或電子阻垢儀器。

       2．污垢的控制，除了投加分散劑外，還有以下幾種方法：

      （1）通過預(yù)處理，降低補(bǔ)充水的濁度；

      （2）增加旁濾設(shè)備。

       3．金屬腐蝕的控制方法，除了添加緩蝕劑外，還有以下三種：

      （1）提高冷卻水的pH值；

      （2）選用耐蝕材料；

      （3）用防腐阻垢涂料涂覆。

       4．微生物引起的腐蝕、黏泥及其生長的控制方法，除了投加殺生劑外，主要還有以下一些方法：

      （1）選用耐細(xì)菌腐蝕的材料；

      （2）控制冷卻水中的氧含量、pH值、懸浮物和微生物的養(yǎng)料；

      （3）采用殺生涂料；

      （4）采用犧牲陽極的陰極保護(hù)；

      （5）清洗；

      （6）防止陽光照射；

      （7）旁流過濾；

      （8）混凝沉淀；

      （9）噬菌體法。

       實踐證明，以上的各種方法作為輔助手段，都能在防腐、阻垢或殺菌的某一方面起一定程度的作用，但比較化學(xué)水處理方式，它們或者還不全面，或者單一方式的處理效率還達(dá)不到要求，或者是不夠經(jīng)濟(jì)。一個良好的水處理控制方案往往是以化學(xué)水處理方法為主，根據(jù)系統(tǒng)的特定情況，結(jié)合以上的一些輔助手段聯(lián)合使用。

       雖然目前化學(xué)處理方式是行之有效的水處理方案，但隨著對環(huán)境保護(hù)的重視，對一些毒性較大，或本身雖屬于無毒或低毒，但會造成水體的富營養(yǎng)化而被列為第二類污染物的一些化學(xué)水處理藥劑的使用或排放已有很嚴(yán)格的要求，如鉻酸鹽及其復(fù)合冷卻水緩蝕劑、磷酸鹽類的緩蝕劑和水處理劑等等，這就要求我們需要開發(fā)無毒或低毒、低磷和非磷的水處理劑；而操作簡便、管理方便及對環(huán)境沒有污染的物理水處理方法及水處理在線檢測、監(jiān)控技術(shù)也是今后大力發(fā)展的方向。

       冷卻水處理是一門涉及許多學(xué)科的‘邊緣’科學(xué)，它需要專門的知識和經(jīng)驗。冷卻水處理方面的專家不多，而且作為新興行業(yè)，很多單位的技術(shù)人員在冷卻水處理發(fā)生問題時由于自身缺乏經(jīng)驗，希望能及時得到全面的專家意見，所以，一種基于知識的計算機(jī)程序系統(tǒng)，能模擬專家領(lǐng)域的專家求解問題的能力，對面臨的復(fù)雜問題，能做出專家水平的結(jié)論的冷卻水處理咨詢用的計算機(jī)專家系統(tǒng)也將是今后大力發(fā)展的方向。